Pendant des années, les scientifiques ont eu du mal à scruter les « entrailles quantiques » des objets solides pour voir si leurs particules sont véritablement intriquées. Bien que nous puissions manipuler des particules individuelles dans un vide contrôlé ou dans un ordinateur quantique, l’observation de l’enchevêtrement collectif au sein d’un morceau de matière physique reste un objectif insaisissable.
Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par Allen Scheie du Laboratoire national de Los Alamos a développé une méthode révolutionnaire pour mesurer ce phénomène, ouvrant potentiellement un nouveau chapitre dans la physique fondamentale et le développement des technologies quantiques.
Le défi de « voir » l’enchevêtrement
L’intrication quantique est un phénomène dans lequel les particules deviennent si profondément liées que l’état de l’une influence instantanément l’état de l’autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Cette « action effrayante » constitue l’épine dorsale des technologies futures telles que les réseaux de communication ultra-sécurisés et les puissants ordinateurs quantiques.
À ce jour, les chercheurs ont utilisé les tests Bell pour confirmer l’intrication entre des particules spécifiques, mais ces méthodes sont difficiles à appliquer à des matériaux entiers. Il est presque impossible de déterminer si une substance solide, comme un cristal ou un métal, est imprégnée d’intrication, car la complexité du matériau masque souvent les connexions quantiques.
La méthode Neutron : une nouvelle façon de jeter un coup d’œil à l’intérieur
La percée réside dans l’utilisation des neutrons comme messagers. Depuis les années 1950, les physiciens savent qu’en tirant des neutrons sur un matériau et en analysant la manière dont ils rebondissent ou traversent celui-ci, ils peuvent en apprendre davantage sur la disposition des particules à l’intérieur.
Scheie et son équipe ont affiné ce concept pour calculer les Quantum Fisher Information (QFI). Voici comment fonctionne le processus :
1. Bombardement de neutrons : Un échantillon de matériau est bombardé de neutrons.
2. Détection : Les propriétés des neutrons sortants sont collectées par des détecteurs de haute précision.
3. Calcul : En analysant les données neutroniques, les chercheurs peuvent calculer le QFI, une valeur mathématique qui indique le nombre minimum de particules dans le matériau qui doivent être enchevêtrées pour produire ce résultat spécifique.
Précision et polyvalence éprouvées
L’équipe a testé sa technique sur divers matériaux magnétiques, dont un cristal bien connu composé de potassium, cuivre et fluor. Pour garantir l’exactitude de la méthode, ils ont comparé leurs résultats expérimentaux à des simulations informatiques de la structure quantique du cristal.
“Il y avait un accord remarquablement étroit entre les courbes expérimentales et théoriques”, a noté Pontus Laurell, membre de l’équipe de l’Université du Missouri.
Ce qui rend cette méthode particulièrement révolutionnaire, c’est sa résilience :
– Aucun modèle requis : Contrairement aux tentatives précédentes, cette technique fonctionne même si les scientifiques ne disposent pas au préalable d’un modèle mathématique parfait du matériau.
– Tolérance aux imperfections : Il reste efficace même lorsque les échantillons de matériaux ne sont pas des cristaux « parfaits », ce qui est une réalité courante en laboratoire.
– Application universelle : L’équipe a établi un moyen fiable et généralement applicable de mesurer l’intrication qui peut être appliqué à une grande variété de nouveaux matériaux.
Pourquoi c’est important pour l’avenir
Cette découverte est plus qu’une simple victoire mathématique ; c’est un outil pratique pour la prochaine génération de technologie. Alors que les ingénieurs recherchent les meilleurs matériaux pour construire des processeurs et des capteurs quantiques, ils ont besoin d’un moyen de vérifier si ces matériaux possèdent réellement les propriétés quantiques requises pour leur fonctionnement.
Les chercheurs s’orientent désormais vers un territoire encore plus complexe : mesurer le QFI lors des transitions de phase. Une transition de phase est l’équivalent quantique de la transformation de l’eau en glace. À ces points critiques, les modèles théoriques échouent souvent et l’intrication devrait augmenter considérablement. En testant leur méthode ici, l’équipe espère découvrir des phénomènes quantiques entièrement nouveaux qui n’ont jamais été observés auparavant.
Conclusion
En utilisant avec succès la diffusion des neutrons pour mesurer les informations quantiques de Fisher, les chercheurs ont fourni un « thermomètre » fiable pour l’intrication dans les solides. Cette avancée fournit la boîte à outils essentielle nécessaire pour explorer de nouveaux matériaux et accélérer la transition de la physique quantique théorique à la technologie quantique fonctionnelle.
